قسمت چهارم دوره آنلاین

ویدیو قسمت چهارم دوره آنلاین

مبدل الکترونیکی قدرت

مبدل یک ابزار الکترونیکی‌ست که از سوییچ‌های نیمه هادی با قدرت بالا ساخته شده که از حالت‌های مختلف سوئیچینگ برای تغییر اندازه و شکل ولتاژ و جریان ورودی و خروجی استفاده می‌کند.

سوئیچ نیمه هادی پایه‌ی ساخت هر مبدل الکترونیکی است. تصویری که از سوئیچ مشاهده می‌کنید یک ترانسیزتور دو قطبی دروازه عایق شده است که اختصارا IGBT  هم به آن می‌گویند(insulated-gate bipolar transistor). این سوئیچ‌ها قادرند در فرکانس‌های بالا خاموش و روشن شوند و رنج کاری آن‌ها در محدوده‌ی وسیعی از هرتز و کیلوهرتز است. به بیان دیگر این سوئیچ‌ها قادرند در نصف میکروثانیه خاموش و روشن شوند. سوئیچ‌های پایه سیلیکون کاربید و گالیوم نیترید حتی سریع‌تر روشن خاموش می‌شوند. در این سوئیچ‌های خاص از دیود‌های موازی که نسبت به هم ناهسو هستند استفاده شده تا بتوان از جریان‌های معکوس هم استفاده کرد.

دسته‌ی دیگری از نیمه هادی‌ها که به طور رایج در مبدل‌های قدرت استفاده می‌شوند ترانزیستور میدان مغناطیسی نیمه هادی اکسید فلز  (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor or MOSFETs) هستند که تریستور (thyristors) هم نامیده می‌شوند.

رایج‌ترین روش دسته بندی مبدل‌های قدرت این است که ورودی و خروجی AC  هستند یا DC. بر این اساس ما چهار دسته مبدل قدرت خواهیم داشت که عبارتند از:

1. DC to DC convertor
2. 2. DC to AC convertor که به آن معکوس کننده یا inverter هم می‌گویند.
3. 3. AC to DC convertor که به آن یکسو کننده یا rectifier هم می‌گویند.
4. 4. AC to AC convertor

به طور مثال مورد دوم قدرت ورودی DC را به خروجی AC تبدیل می کند.

روش دوم دسته بندی برای مبدل‌ها این است که آیا آن‌ها جریان یک جهتی یا چند چهتی تولید می‌کنند. در دسته‌ی اول در خروجی از دیودهایی استفاده می‌شود که فقط اجازه‌ی خروج جریان در یک جهت را می‌دهد. اما در مبدل‌های قدرت چند جهتی، سوئیچ‌های نیمه هادی نظیر MOSFET’S و IGBT هم در خروجی و هم در ورودی استفده می‌شوند. یعنی در دسته ی اول از یک درگاه جریان میاد تو و از یک درگاره می‌ره بیرون اما در دسته ی دوم جریان از هر درگاه هم می‌تونه وارد بشه هم خارج بشه.

روش سوم دسته بندی مبدل‌ها بر این اساس است که آیا بین ورودی و خروجی عایق تبدیل وجود دارد یا نه. هدف اول از ایزوله کردن در مبدل‌های قدرت دلایل ایمنی است. برای مثال شارژر تمام گوشی‌ها ایزوله شده اند به طوری که لمس کردن 5 ولت خروجی حتی اگر ورودی 110 ولت و 230 ولت هم باشد خطر ساز نیست. علاوه بر این، ترانسفورماتورهایی که برای ایزوله کردن گالوانیزه استفاده می‌شود می‌توانند یک نسبت چرخش متفاوت بین ورودی و خروجی داشته باشند که می‌تواند به افزایش یا کاهش ولتاژ کمک کند.

مبدل‌های قدرت متفاوتی می‌توانند تولید شوند و توسعه یابند که خواصی ترکیبی از موارد ذکر شده را داشته باشند. با این دانش به سراغ 4 مبدل اصلی قدرت در یک خودروی الکتریکی می‌رویم که عبارتند از شارژر روی برد، مبدل باتری، مبدل باتری کمکی و موتور. یک خودروی الکتریکی از مسیر(گذرگاه) مرکزی DC برای تبادل قدرت بین قطعات الکتریکی مختلف استفاده می‌کند که به آن مسیر ولتاژ بالا یا High voltage bus می‌گویند. شارژر روی برد (on-board) وظیفه ی تبدیل جریان AC به مسیر مرکزی DC، برای شارژ باتری‌ها(traction batteries) را بر عهده دارد. از این رو یک مبدل AC به DC  است.  پس مبدل باتری وظیفه‌ی شارژ و تخلیه شارژ باتری‌ها را با کشیدن ولتاژ یا دادن ولتاژ از مسیر ولتاژ بالا بر عهده دارد. از این رو مبدل باتری یک مبدل DC به DC  دو جهته است. همین طور مبدل باطری کمکی به شارژ این باطری با کشیدن قدرت از مسیر ولتاژ بالای DC کمک می‌کند. نهایتا درایو موتور یک مبدل DC به AC است که موتور AC را کنترل می کند. درایو موتور دو طرفه است و قدرت رو به موتور می‌ده تا رو به جلو حرکت کنه و زمانی که خودرو ترمز می‌کند به عنوان یک مبدل یک سو کننده AC به DC عمل می‌کند.(اگه موتور DC باشه ،درایو موتور میتواند مبدل DC به DC باشد.)

نکته ای که باید به آن توجه داشت این است که شارژ on-board و مبدل باتری برای موارد ایمنی باید ایزوله شوند.همچنین مبدل باتری و درایو موتور باید دو جهتی باشند.

حال می‌خواهیم نگاهی عمیق‌تر به جریان چند جهتی مبدل‌های قدرت در خودروهای الکترکی داشته باشیم. هر خودرویی باید قابلیت حرکت و ترمز در هر دو جهت عقب وجلو را داشته باشد. این موضوع را می‌توان در یک نمودار چهار بخشی سرعت-گشتاور نشان داد. این چهار بخشی از شماره 1 تا 4 عبارت است از : 1. حرکت به سمت جلو 2. ترمز کردن هنگام حرکت رو به جلو 3.حرکت رو به جلو در جهت عکس و 4. ترمز کردن در این جهت

فرایندی که در یک چهارم اول با آن رو به رو هستیم زمانی است که قطبیت گشتاور و سرعت موتور مثبت است که نتیجه‌ی آن حرکت موتور به سمت جلو خواهد بود.

در یک چهارم سوم سرعت و گشتاور موتور هر دو قطبیت منفی دارند که نتیجه‌ی آن حرکت در جهت عکس خواهد بود که همان حرکت با دنده عقب است.

در یک چهارم دوم موتور قطبیت سرعت مثبت و قطبیت گشتاور منفی دارد. این امر زمانی است که چرخ‌ها رو به جلو حرکت می‌کنند ولی گشتاور در جهت عکس است که نتیجه ی آن ترمز کردن و کم شدن سرعت خودرو است.

اگر از یک موتور DC و یک درایو الکتریکی DC استفاده شود، ما می‌توانیم مقدار گشتاور را تعمیم دهیم که جهت آن به مقدار جریان و جهت آن بستگی دارد. به طور مشابه سرعت چرخش و جهت آن به مقدار ولتاژ و قطبیت آن وابسته است. بنابراین برای کنترل گشتاور و چرخش یک موتور، ما به یک درایو موتور نیاز داریم که بتواند جریان و ولتاژ موتور را کنترل کند.

خودروهای الکتریکی بیشتر از موتور AC استفاده می‌کنند که کنترل آن از موتور DC پیچیده‌تر است. در یک موتور AC چرخش رو به جلو و عقب موتور با تغییر فاز ولتاژ AC تامین کننده کنترل می‌شود و برای کنترل سرعت و گشتاور از یک درایور موتور با سرعت متغیر استفاده می‌شود که هم مقدار ولتاژ AC  و فرکانس آن را برای کنترل سرعت چرخش موتور AC تغییر می‌دهد. به طور کلی، با اعمال یک ولتاژ AC با فرکانس بالا، سرعت موتور افزایش می‌یابد.

برای دیدن قسمت‌های بعدی دوره اینجا کلیک کنید

برای دیدن قسمت‌های قبلی دوره اینجا کلیک کنید